Czym są kolektory słoneczne – co trzeba o tym wiedzieć?

Kolektory słoneczne to najtańszy eksploatacyjnie sposób na ciepłą wodę. Są przy tym przyjazne dla środowiska i nie wymagają obsługi. Sztuka polega na zoptymalizowaniu instalacji, żeby przy minimum nakładów dawała maksimum zysków i nie przysparzała kłopotów.

Dlaczego kolektory słoneczne wykorzystujemy do ogrzewania wody?

W naszym klimacie energię w budynkach zużywamy głównie na ich ogrzewanie oraz do przygotowywania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Przez ostatnie lata zapotrzebowanie na ciepło do ogrzewania znacznie spadło – domy mają coraz lepsze ocieplenie, okna, wentylację z rekuperatorem. Jednak zużycie ciepłej wody i energii do jej podgrzewania pozostały takie same, jak kilkadziesiąt lat temu. Można je skutecznie obniżyć, decydując się na kolektory. Zwykle dobiera się je tak, żeby pokrywały ok. 50% rocznego zapotrzebowania na energię do podgrzania c.w.u. Do tego wystarczą 2-3 kolektory dla 4-osobowej rodziny.

Wykorzystanie kolektorów do ogrzewania, czy raczej dogrzewania budynku nie jest zaś w naszym klimacie popularne. Wszystko dlatego, że zimą i tak dają niewiele ciepła. Mogą dogrzewać dom w okresach przejściowych, czyli wiosną i jesienią, ale wymaga to znacznie większych, a zatem i droższych instalacji złożonych przynajmniej z kilkunastu kolektorów.

O ile spadną koszty c.w.u. po zainstalowaniu solarów?

Prawidłowo dobrany system solarny pozwala obniżyć zużycie energii na potrzeby c.w.u. o około połowę w skali roku. Jeżeli do jej podgrzania wykorzystujemy tylko jeden nośnik ciepła, np. gaz płynny. Oznacza to 50% redukcję kosztów. Im droższy jest nasz nośnik ciepła, tym różnica w domowym budżecie będzie bardziej odczuwalna. Dlatego o sięgnięciu po ciepło słońca powinni w pierwszym rzędzie pomyśleć użytkownicy kotłów na gaz płynny, olej opałowy oraz korzystający z energii elektrycznej. Dla tych ostatnich szczególnie atrakcyjne są zaś instalacje fotowoltaiczne.

Oszczędności będą większe, gdy mamy kocioł na paliwo stałe uruchamiany w sezonie, a latem dogrzewamy wodę prądem, żeby uniknąć kłopotliwego palenia. Energia elektryczna jest wszak przynajmniej 4 razy droższa od ciepła z węgla lub drewna. Wbrew pozorom, nawet eksploatując kocioł przez cały rok, możemy sporo zyskać, decydując się na kolektory. Dotyczy to przede wszystkim właścicieli kotłów z podajnikiem.

Poza sezonem grzewczym, działając tylko na potrzeby c.w.u., taki kocioł pracuje z bardzo niską sprawnością, więcej ciepła pochłania zwykle samo podtrzymanie żaru, niż podgrzanie wody. Sprawność jest zatem przynajmniej dwukrotnie gorsza, zaś cena ciepła proporcjonalnie do tego wyższa. Faktyczna oszczędność energii jest więc znacznie wyższa od obliczanej na podstawie średniorocznej sprawności kotła. Kolektory są przecież efektywne głównie w cieplejszej połowie roku.

Czy solary zwiększają komfort życia?

Jeżeli mamy kocioł na paliwo stałe lub kominek z płaszczem wodnym, instalacja solarna uwolni nas od konieczności palenia poza sezonem grzewczym. Koniec z codziennym rozpalaniem, dźwiganiem opału, czyszczeniem z popiołu i sadzy. W takiej sytuacji najlepiej wyposażyć jeszcze zbiornik wody w grzałkę elektryczną. Będzie ona działać sporadycznie, nie generując wysokich kosztów, a system stanie się w pełni bezobsługowy przynajmniej na pół roku. W sezonie grzewczym znów będzie ogrzewana konwencjonalnie przez kocioł. Ale wówczas to żaden problem, skoro urządzenie i tak pracuje.\

Ile kolektorów wystarczy dla 4-osobowej rodziny?

Żeby zaspokoić potrzeby 4 osób, zwykle wystarczają 2 bądź 3 kolektory o powierzchni zabudowy ok. 2 m2 każdy. Oczywiście, mówimy o kolektorach korzystnie zorientowanych na południe i typowym zużyciu wody około 50 l na osobę w ciągu doby. Jeżeli lubimy częste kąpiele w sporej wannie, albo z racji innych nawyków zużywamy jej po prostu wyraźnie więcej, warto pomyśleć o dodaniu jednego kolektora.

Jednak dalsza rozbudowa systemu nie tylko nie przyniesie korzyści, a może przysporzyć kłopotów. Przewymiarowana instalacja wbrew pozorom nie poprawi istotnie rocznego stopnia pokrycia zapotrzebowania na energię do c.w.u., za to będziemy borykać się z problemem nadmiaru ciepła w sezonie letnim. Powiększanie instalacji ponad miarę jest chyba najczęściej popełnianym błędem. A potem na forach internetowych rozrastają się wątki o tym, jak przesłonić lub schłodzić przegrzane kolektory.

Kupowanie większej liczby kolektorów ma sens tylko w specjalnych przypadkach – gdy służą również do ogrzewania basenu, dogrzewania budynku, albo prowadzimy pensjonat i mamy gości głównie latem. Takie systemy projektuje się jednak indywidualnie.

Gdzie umieścić kolektory?

Z wielkością instalacji wiąże się też kwestia wygospodarowania na nią miejsca – im jest większa, tym bardziej to problematyczne. Zdecydowanie najpopularniejszy wariant to kolektory na dachu, umieszczone na pokryciu. To dobry wybór, pod warunkiem, że połać dachu zwrócona jest mniej więcej na południe, kąt nachylenia wynosi około 45° i nie ma elementów zacieniających w rodzaju lukarn, kominów itp.

Jeżeli takim miejscem nie dysponujemy, trzeba zastosować któreś z rozwiązań alternatywnych:

• na płaskim dachu domu lub garażu (ze specjalną konstrukcją wsporczą);
• na gruncie obok budynku;
• na ścianie (pionowo albo pod kątem).

Bardzo często oznacza to wydłużenie rurociągów pomiędzy zasobnikiem wody i kolektorami, co pociąga za sobą zwiększone straty ciepła. Są jednak także istotne zalety. Kolektor stojący na odrębnej konstrukcji można ustawić korzystniej względem stron świata i pod optymalnym kątem. Ponadto dostęp do niego jest łatwiejszy, można go wygodnie skontrolować, oczyścić ze śniegu, umyć.

Jakie znaczenie w instalacji kolektorów mają strony świata?

Najkorzystniejsze jest zwrócenie kolektorów wprost na południe, bo to najbardziej nasłoneczniony kierunek. Ma się rozumieć, pod warunkiem, że nie znajdą się wówczas w cieniu rzucanym przez budynek, drzewa itp. Nawet spore odchylenie, do 50°, na zachód lub wschód nie jest zbyt szkodliwe. Żeby zrównoważyć taką mniej sprzyjającą ekspozycję, wystarczy zwiększenie powierzchni czynnej kolektora o około 20%. W praktyce oznacza to, że zamiast 2 kolektorów – założymy 3, lub kupimy dwa o nieco większej powierzchni.

Nie ma natomiast sensu planowanie kolektorów zwróconych na północ. Z tego kierunku nigdy nie będziemy mieć intensywnego, bezpośredniego promieniowania słonecznego, a takie ogrzewa najskuteczniej. Uwaga! Jeżeli mamy dużą instalację i kolektory są skierowane w różne strony (np. na osobnych połaciach dachu), każda z takich grup powinna mieć własny sterownik i pompę. Inaczej woda będzie przepływać przez kolektory, które się jeszcze nie nagrzały, albo (co gorsza) pompa nie zostanie uruchomiona, choć będą już nagrzane.

Na co wpływa kąt nachylenia kolektorów do poziomu?

Ma to znaczny wpływ na uzysk energii zależnie od pory roku. Wprawdzie w skali całego roku rozbieżności w uzysku energii nie są duże w zakresie kąta nachylenia od 30 do 60°, jednak jeśli liczymy na sezonowe zróżnicowanie, warto ten kąt zmienić jeszcze bardziej.

W okresie letnim korzystne jest ustawienie bardziej płaskie 0-30°. Daje to lepszą ekspozycję na słońce – szczególnie około południa, gdy kąt padania zbliża się do prostego względem powierzchni ziemi.

Z kolei zimą i jesienią zalecana jest pozycja zbliżona do pionu (60-90°). Zimą słońce jest nisko nad horyzontem i kąt padania jego promieni będzie przy takim usytuowaniu najkorzystniejszy. Dla odmiany latem uzysk ciepła będzie mniejszy niż przy typowym ustawieniu 45°. Może to być nawet pożądane w dużych instalacjach, przewidzianych do dogrzewania budynków (latem nie ma co zrobić z nadmiarem ciepła).

Jeżeli kolektory spoczywają na osobnej konstrukcji wsporczej, dość łatwo można zmienić kąt ich nachylenia na bardziej sprzyjający, zależnie od pory roku. Jednak w małych, amatorskich instalacjach nie jest to popularne.

W poziomo zamontowanych rurowych kolektorach próżniowych można zaś w pewnym zakresie zmienić kąt nachylenia, obracając same rury.

Ile energii dają kolektory?

Przede wszystkim musimy pamiętać o bardzo dużym sezonowym zróżnicowaniu nasłonecznienia, typowym dla naszych szerokości geograficznych. Ten sam zestaw kolektorów w czerwcu podgrzeje wodę w zasobniku do nawet ponad 60°C, w grudniu będzie ona miała zaledwie 20°C. Po prostu od początku kwietnia do końca września dociera do nas aż 80% z rocznej sumy promieniowania.

Dla odmiany, łącznie na grudzień, styczeń i luty (zima) przypada jedynie ok. 6%. Do tego w miesiącach zimowych znacznie większe są straty ciepła z kolektora do otoczenia, co jeszcze zmniejsza ilość faktycznie pozyskanej energii. Nic więc dziwnego, że instalacja solarna latem potrafi całkowicie zaspokoić zapotrzebowanie na c.w.u. (ważne dla właścicieli kotłów na paliwa stałe), zimą zaś tylko wstępnie ogrzewa nieco wodę.

Jednak pamiętajmy, że jest to wartość średnia, uzyskana w ściśle określonych warunkach testowych, w tym klimatycznym typowym dla Wurzburga w Niemczech. Nie będą one więc nigdy identyczne w naszej instalacji. Dlatego podawany uzysk energii należy traktować z pewną rezerwą, jako wartość orientacyjną. Trzeba też wziąć pod uwagę, że bywają lata z większym od typowego zachmurzeniem i słabszym operowaniem słońca.